爬壁蠕虫机器人构型初探

根据松毛虫和尺蠖蠕动前行的特点以及仿生学原理,基于模块化思路分别提出了松毛虫和尺蠖爬壁机器人运动学构型.针对两种模型,讨论比较了它们的安全性和可用步态.通过分析松毛虫的蠕动步态和尺蠖步态,发现基于全主动关节驱动的松毛虫模型中存在冗余驱动问题.但由于松毛虫模型具有更多的可用步态,因此比尺蠖模型具有更高的安全性.这两种模型的样机由若干吸附模块和关节模块构成,以验证两种蠕虫机器人的爬壁能力.试验表明由于松毛虫机器人运动时存在冗余驱动,导致吸盘出现侧滑力,同时验证了尺蠖机器人在竖直壁面上的爬壁能力.为了进一步改进尺蠖机器人的吸附能力,采用了一种非对称的运动步态.     

基于有限差分法的双臂关节柔性空间机器人智能递阶控制策略

谐波减速器和力矩传感器等柔性元件广泛应用于空间机器人关节系统，以获取高减速比.这些柔性元件为空间机器人系统引入关节柔性，使得对其的稳定控制变得更为复杂.本文讨论研究了参数不确定双臂关节柔性空间机器人基于有限差分法的智能递阶控制及弹性振动抑制.运用递阶系统理论、动量守恒原理及第二类拉格朗日方法推导出系统递阶动力学模型.利用该模型，设计了基于模糊回归神经网络的非奇异Terminal滑模控制算法和基于有限差分法的滑模控制算法.采用模糊回归神经网络（Recurrent Fuzzy Neural Network，RFNN）逼近系统的不确定部分.为避免复杂的求导计算及角加速度可测要求，利用基于有限差分法的滑模控制来抑制柔性关节振动.由于设计控制器过程中未涉及惯常的奇异摄动双时标分解操作，该控制算法理论上具有适合任意大小关节柔性刚度的优点.系统对比仿真试验证明了智能递阶控制算法优于传统基于奇异摄动法的控制方案.      

全柔性空间机器人基于虚拟力的输出反馈有限维重复学习控制及振动抑制

探讨了基座、关节、臂均存在柔性情况下，空间机器人关节轨迹运动及多重柔性振动的主动控制和主动抑制问题.结合线性弹簧、扭转弹簧、简支梁及假设模态法，利用拉格朗日方程建立了基座、关节、臂全柔性影响下的空间机器人系统动力学模型，利用奇异摄动法，将模型分解为关节运动慢变子系统与关节柔性振动快变子系统.为控制慢变子系统中载体姿态、关节刚性运动并且抑制臂的柔性振动，依据虚拟控制力的概念，设计了基于有限维傅里叶级数解析周期信号的输出反馈重复学习算法.李雅普诺夫直接法证实了上述控制器的稳定性.为了抑制快变子系统中基座和关节的柔性振动，分别采用线性二次最优控制方法以及引入关节柔性补偿器间接增大关节等效刚度的方式，使控制算法不局限于求解弱非线性问题.系统数值仿真结果表明，所提出的控制器能够有效抑制机器人多重柔性构件的振动，实现对期望信号的高品质追踪.      

面向未知目标的柔性关节空间机器人滑模控制

针对载荷捕获的空间机器人控制问题，同时考虑机械臂关节柔性和非合作目标质量未知等因素影响，提出一种基于目标质量观测器的滑模变结构控制方法.首先，针对空间非合作目标质量未知问题，设计基于改进的最小二乘迭代算法实现对非合作目标质量在线辨识.进而，采用拉格朗日方法和动量矩守恒原理，建立漂浮基座柔性关节空间机器人动力学模型；针对动力学模型中刚柔耦合特性，基于奇异摄动理论将系统模型近似地分解为快慢变子系统；针对慢变子系统，设计滑模变结构控制器来保证系统的鲁棒性和动态特性；针对快变子系统，设计基于速度差值的反馈补偿控制算法，抑制柔性关节产生的残余振动，保证控制精度.最后，实验分析了快慢变子系统各自的作用机理，验证了控制方法有效性.     

非对称液压缸对称性控制

阀控非对称缸两个运动方向上系统的开环增益及某些参数的不同,使得两个方向上的动态特性不对称,这种本质上的非线性和非对称性给系统控制带来困难.PБ-211机器人后3个关节是对称阀控制非对称液压缸伺服系统,为了使机器人运行平稳和提高控制精度,在控制中必须加以适当补偿.在分析非对称液压缸工作原理基础上,考虑液压缸伸出和缩回性能不同,提出了模型参考变增益自适应控制算法对非对称液压缸进行补偿.该算法包括单神经元自适应PID控制、模型参考自适应控制和输出增益的自动调节3个部分.仿真分析和实验表明该算法可以基本实现非对称液压缸的对称性控制,较普通PID控制算法具有明显优势.      

基于近端策略优化算法的四足机器人步态控制研究

足式机器人步态控制是机器人研究领域的难点问题,应用强化学习让机器人自主学习策略提供了一种很好的解决思路.基于ROS机器人操作系统搭建了四足机器人仿真平台,将近端策略优化算法用于四足机器人步态控制,并与其他深度强化学习算法进行了对比分析.仿真实验结果表明,近端策略优化算法在实际应用中具有更好的训练效果.     

无源振动吸附原理与应用

无源振动吸附是最近提出的一种机器人的吸附方式,是爬壁机器人研究的关键技术之一.提出了一种新的无源振动吸附数学模型,设计了振幅和频率可调节的振动吸附实验平台.实验结果证明了无源振动吸附数学模型的正确性;分析了无源振动吸附原理实现稳定吸附的条件,以无源振动吸附原理为指导设计了振动吸附模块并对该模块进行了性能测试,对不同振动参数下吸附模块的抗失效能力进行了实验;实验结果证明这种吸附模块可以作为吸附足模块应用到爬壁机器人上.      

平面并联机器人的轨迹控制与在线监控

提出了三自由度平面并联机器人的运动学控制方法,通过逆向运动学求解实现对机器人的轨迹规划;提出完成并联机器人在线监控的2个步骤:首先利用解析法实现并联机器人的正向运动学分析,再综合运用二分法和插值法进行正解的在线计算.还研究和完成了基于PC的模块化机器人控制系统设计,该设计主要包括使用C+ +语言完成并联机器人运动学控制算法编程和设计基于PMD(Performance Motion Devices)的模块控制器.该控制系统在三自由度模块化平面并联机器人上进行了演示,并将在MATLAB下实现的数值法与C+ +语言编写的解析法进行了比较,其结果验证了运动学算法和运动控制器的性能.      

基于虚拟现实Stewart平台遥操作系统

针对基于虚拟现实的遥操作Stewart平台设计了虚拟系统.介绍了虚拟系统的驱动算法的原理.该算法首先建立合适的坐标系,通过一系列的空间坐标变换,解决了平台和6根杆的运动一致问题.采用基于L-M(Levenberg-Marquardt)算法的BP(Backpropagation Algorithm)神经网络来解决平台位置正解的问题,经过检验,证明该网络具有很好的泛化性能.采用了层次化的包围盒技术,每个节点建立轴向包围盒,来解决虚拟环境中的虚拟模型的碰撞检测问题.设计了一种简单的控制策略来解决大时延的稳定性问题.在机器人本地控制器的设计中采用离散化的微分跟踪器来保证机器人本地控制的稳定性和良好的动态性能,最后通过试验验证了本系统的有效性.      

曲面幕墙清洁机器人攀爬技术

针对国家大剧院超椭球外表面的清洗问题,设计了一种新型自攀爬机器人.机器人具有全方位运动能力,相对于擦洗运动而言,攀爬运动是影响机器人作业安全性的主要因素.分析了攀爬运动的运动学模型,利用拉格朗日方法对该状态下的动力学问题进行了研究,并针对攀爬运动的特殊性,对机器人前后俯仰支撑控制问题进行分析,结合建筑物表面特点并依靠仿真,得到机器人作业过程中俯仰机构受力分布曲线,为机器人攀爬支撑力的切换提供了理论依据.      

基于能耗最优的多足机器人综合步态优化方法

为综合研究步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹对多足机器人步态稳定性和能耗的影响,文章提出一种基于能耗最优的多足机器人综合步态优化方法,将步态优化过程转换为两个嵌套的子优化问题。首先,采用一种基于零力矩点稳定性理论的机身运动轨迹规划方法,针对给定的下一步落足点和支撑多边形,规划机身运动轨迹,在保证机身轨迹连续平滑的同时,确保机器人在迈步过程中的稳定性。其次,提出一种基于能耗指标的周期性步态优化方法,建立足式机器人虚拟样机模型作为步态优化模型,对步态参数、摆动腿足端轨迹和机身运动轨迹同时进行优化,保证机器人的步态稳定性,得到使机器人前进单位距离能耗最小的步态。最后,搭建足式机器人虚拟样机仿真平台,仿真结果表明,采用本文的步态优化方法,在保证机器人平稳前进的同时,机器人前进单位距离能耗与优化前相比降低了约14%。     

腿臂融合型在轨装配机器人运动建模与步态规划

针对目前机器人在轨装配存在的作业效率低、空间操作受限、环境感知不完全等问题，提出一种腿臂融合型在轨装配机器人。首先，使用D-H法建立了腿臂融合型装配机器人运动学模型，并对其单个腿部进行正逆运动学分析，得到单个腿各个关节角和足端之间的运动关系；其次，分析了腿臂融合型装配机器人的行走步态和装配步态，行走步态中分析了二步态和三步态，装配步态中分析了单臂装配和双臂装配，使机器人达到平稳的行走和装配；最后，基于ROS(robot operating system)搭建仿真平台并对行走步态进行了仿真验证，结果表明提出的方法能够有效用于该机器人的行走。     

轮式腿型机器人的越障分析与仿真

为了提高地面移动机器人的地面适应性和越障能力,通过模仿昆虫的腿形,在移动机器人机械本体上设计了一种轮式腿结构.同时选择了轮式腿结构布局的最优方案,提高了机器人运动的平稳性.针对该种结构在非结构环境中的越障性能进行了相关的分析,从理论上分析了具有轮式腿结构的机器人具有很强的越障能力和越障平稳性.并用ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 对该机器人进行了运动学的仿真,仿真结果表明具有轮式腿结构的机器人具有较强的越障能力,可以翻越高度为轮式腿半径1.2倍的垂直障碍,验证了机构的可行性和越障原理的正确性,为轮式腿型机器人的进一步研究提供了理论基础和依据.     

一种球形移动机器人的运动性能分析

球形移动机器人的特殊结构使之非常适合在缺少人为干预的恶劣环境(如外星球、野外等)中应用,在此类的环境中,机器人的运动性能是决定机器人能否顺利完成预定任务的关键.介绍了BHQ-1G型球形移动机器人的结构,采用几何法和拉格朗日方程建立了该球形移动机器人的模型,并对它的直线运动、爬坡能力、越障、转弯半径等运动性能进行了具体的分析,证明了该设计的可行性并确定了影响该机器人运动性能的参数.该分析结果可用于BHQ-1G机器人的优化设计和样机研制.     

翼身结合框结构仿生设计

相似是仿生的基础,全面系统地理解工程原型的功能需求和生物体各个层次的优异结构,准确把握生物体与工程原型的相似性,是结构仿生设计的关键.为减轻翼身结合框重量,分析了竹干与翼身结合框相似的承力性能,借鉴竹干的细观结构形状和排列方式,应用结构仿生原理设计了仿生翼身结合框.有限元分析结果表明,在保证结合框强度、刚度的前提下,仿生结构与原型相比重量可减轻2.1％.     

灵巧壁面移动机器人运动学和动力学研究

灵巧壁面移动机器人是一个约束可变的系统,其可控性问题有待于证实.针对履带驱动方式具有非完整约束的性质,利用李群理论和微分几何的分析方法,对各种构型情况下灵巧壁面移动机器人运动学和动力学特性进行了研究,证明了灵巧壁面移动机器人的可控性,建立了机器人动力学方程,为机器人控制器的设计提供了理论指导.      

仿壁虎刚毛阵列对卫星表面吸附能力模型与计算

壁虎脚的粘着机理对航天机器人脚掌的研制和开发具有重要启发意义.通过单根刚毛与光滑表面黏着力模型与计算、卫星粗糙表面分布模型与接触概率与计算、刚毛阵列与卫星粗糙表面黏着力模型与计算等，分析仿壁虎刚毛阵列对卫星表面的吸附能力，发现在一定条件下仿壁虎刚毛阵能够在太空失重环境中黏着在卫星表面，对航天舱内爬行机器人、管道机器人的研制和开发具有重要的启示意义.     

四足步行机的对角小跑步态及能耗仿真分析

步行机需自身携带能量如电池实现步行及探测任务,研究其能量消耗有重要的意义.步行机的行走步态与能量消耗密切相关,采用对角小跑步态,分析能量消耗与相关影响参数间的关系.介绍了四足步行机的对角小跑步态及多链串并联复合机构的特点,建立步行机的运动学方程及拉格朗日动力学方程.采用虚拟样机技术建立系统的考虑足与地面接触的三维仿真模型,进行完整对角小跑步态周期中的能量消耗分析,获得步行机的动态特性.以移动能耗率为评价指标,分别仿真分析3种步距及3种接触材料的能量消耗,研究步距、接触刚度和摩擦系数对步行机能量消耗的影响,建立移动能耗率与步行机步行速度间的关系曲线,为物理样机的设计提供依据.